一种充气展开气动阻尼减速器结构的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种充气展开气动阻尼减速器结构。该结构主要是弧形的刚性钝头和由织物纤维复合材料制成的充气展开结构组成刚柔组合体，涉及的充气展开气动阻尼减速器结构展开过程包括一级不同直径堆叠充气展开圆环的展开和二级展开圆环的展开；该结构还包括两个质量块沿滑道一起移动实现粗调得粗调控制块和仅仅沿滑道移动较小实现质心控制盘微调的微调控制块；通过移动四个方位质心控制块协同调节，可以实现对减速器四个方向姿态的控制。本发明的结构质量轻；快速充气成型，形成大面积的阻力面。由于主要采用织物纤维复合材料制作，便于充气展开气动阻尼减速器结构的高效率地折叠收拢，发射体积小。
【专利说明】—种充气展开气动阻尼减速器结构
【技术领域】
[0001]本发明属于阻尼减速器【技术领域】，具体是涉及一种充气展开气动阻尼减速器结构。
【背景技术】
[0002]随着载人航天事业和深空探索任务的不断发展，再入返回运载工具受到运载火箭整流罩大小限制越来越明显。空间站实验室为开展空间生命科学研究提供宝贵资源，可利用空间站开展了大量的生物和医学实验，由于生物学实验样本有其特殊的时效性要求，即实验结束后，要求样本尽快处理分析，以确保数据准确，具有科学意义。如空间微重力生物医学学实验，一般持续天数或几周左右的时间，固定或裂解的样本如不能即刻分析，则需要低温保存。目前，在轨分析的设备难以完成，冷藏资源的体积也十分有限，严重制约了空间生命科学研究的开展。解决此问题的最佳途径，就是生物样本能及时、分批返回。如果能够利用充气式气动阻尼结构实现多次返回技术，就可以实现和满足在轨生物样本的及时、分批返回，将有力地促进我国空间生命科学研究的发展。
[0003]高超音速的充气式气动阻尼结构作为一种新结构技术，它是由耐高温的轻质、柔性复合材料高效地折叠在载荷舱外围，再入大气前充气成型。该结构主要是由鼓状截面单元的变直径充气圆环组成充气展开结构、防热阻力面、充气系统、刚性头锥、质心控制系统、载荷模块箱等组成。现有技术中已经应用了很多类型和结构的充气展开气动阻尼减速器结构，但是这些结构不能够同时满足快速发展的新要求，包括:重量轻、体积小、展开速度快、质心可控、低速飞行时阻力大等多个要求，这就为研发能够同时满足这些新的要求的充气展开气动阻尼减速器结构提出了新的课题。
【发明内容】
[0004]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种充气展开气动阻尼减速器结构，能够满足重量轻、体积小、展开速度快、质心可控、低速飞行时阻力大等多个要求，适用于在轨样品的多次返回。
[0005]本发明的技术方案如下:
[0006]一种充气展开气动阻尼减速器结构，包括刚性头锥10、一级不同直径堆叠充气展开圆环2、一级展开充气瓶7、二级展开充气瓶14、控制阀6、气体导管11、上下质心控制块3、水平质心控制盘13、绑带12、标准安插箱8、二级展开圆环I以及张紧薄膜阻力面15 ;其特征在于:所述的刚性头锥10、一级展开充气瓶7、上下质心控制块3、水平质心控制盘13、标准安插箱8从到上依次位于减速器中间位置，刚性头锥10位于最下端，其截面近似成扇形；所述的一级展开充气瓶7位于头锥内部，受到头锥的保护，水平质心控制盘13位于在刚性头锥3和标准安插箱8之间；所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的紧贴刚性头锥10的圆环通过绑带12捆绑在刚性头锥10上，其他圆环则依次通过绑带12和相邻的圆环捆绑；所述的控制阀6设置在一级展开充气瓶7并且通过气体导管11与一级不同直径堆叠充气展开圆环2相连；当减速器完成二级展开后，二级展开圆环I位于最上端，张紧薄膜阻力面15连接一级不同直径堆叠充气展开圆环2最上端圆环的内侧和二级展开圆环I的外侧；所述的二级展开圆环I中安装有二级展开充气瓶14。
[0007]优选的，所述的一级展开充气瓶7通过五个梁与刚性头锥连接，其中一个梁固定一级展开充气瓶7的下端，其他四个梁固定一级展开充气瓶7的四周。
[0008]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2由不同直径的单层圆环沿着刚性头锥10的内表面方向挤压堆叠而成或由双层圆环沿着刚性头锥10的内表面方向堆叠而成。
[0009]优选的，所述的水平质心控制盘13中设置有四个粗调水平质心控制块4以及四个微调水平质心控制块5。
[0010]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2相邻的圆环之间通过扎带12采用分叉式捆绑方法进行交错捆绑，捆绑方式是沿径向每22.5度一个径向扎带12。
[0011]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的外表面设计一层隔热薄膜结构9。
[0012]优选的，所述的刚性头锥10和一级不同直径堆叠充气展开圆环2的最内侧圆环通过绑带12连接，所述的刚性头锥10包括八组或十二组铆孔16，每组四个铆钉16 ;最内侧圆环采用八个或十二个扎带连接在刚性头锥10上。
[0013]优选的，所述的控制阀6为四个，通过四个气体导管11与一级不同直径堆叠充气展开圆环2连接，所述的充气展开气动阻尼减速器结构完全展开后相邻气体导管11互相呈90度夹角。
[0014]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的最外圈设置有一个细圆环17。
[0015]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的不同直径的充气环之间是相互独立的空间，采用由外向内的双侧同步展开的充气策略。
[0016]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2由许多子单元组成，每个子单元由两个圆弧和一对平行线组成，所述的平行线垂直于减速器阻力面的母线；所述的两个圆弧为同一个圆上的一部分，曲率半径均为d/2，且150mm< d ( 300mm，两平行线之间距离为(d/2)2。
[0017]优选的，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2内的充气压力的最小值为:r n ,.4tanasin?
[0018]O = l.-
Fmm1>π--
[0019]其中F是气动阻力，D是充气式气动阻尼结构的垂直投影口径，d是单个充气圆环的直径，α是气动阻尼结构阻力面与轴线之间的夹角。
[0020]本发明的创新点如下:
[0021](I)采用两级充气展开技术:一级不同直径堆叠充气展开圆环的充气展开和二级展开圆环张紧织物纤维复合材料阻力面；
[0022](2)针对充气展开气动阻尼减速器结构再入飞行的姿态控制问题，提出了的分块式精细化质心可控调整方法；
[0023](3)针对不同直径堆叠圆环组成充气展开气动阻尼减速器结构的分叉式捆绑方式；
[0024](4)结构特点:充气展开后形成超大口径的阻力面结构，结构采用弧形的刚性钝头和由织物纤维复合材料制成的充气展开结构组成刚柔组合体，折叠收拢时又具有很小的发射体积，中心载荷一方面可以控制结构的质心控制飞行姿态，另一方面有标准安装箱返回物体的设计，利于载荷的回收。
[0025]本发明的充气展开气动阻尼减速器结构主要是弧形的刚性钝头和由织物纤维复合材料制成的充气展开结构组成刚柔组合体，结构质量轻；快速充气成型，形成大面积的阻力面。由于主要采用织物纤维复合材料制作，便于充气展开气动阻尼减速器结构的高效率地折叠收拢，发射体积小。
[0026]本发明的充气展开气动阻尼减速器结构涉及了 9个质心控制块，用于解决减速器飞行过程中的姿态控制问题，分别为上下质心调整块3，水平质心控制盘13，其中水平质心控制盘13位于标准安装箱8下端，紧贴头锥8，上下质心调整块3滑道杆连接一级展开充气瓶7和水平质心控制盘13(见图4)，可以起到固定一级展开气瓶的作用；当减速器需要质心控制飞行姿态时，质心检测系统会通过电讯号传递给质心控制系统，如果质心需要进行较大幅度调节时，则通过电讯号移动相应位置的粗调控制块4，即两个质量块沿滑道一起移动实现粗调；当姿态需要微调时，质心控制盘通过微调控制块5进行调节，即仅仅沿滑道移动较小的质量块5;通过移动四个方位质心控制块协同调节，可以实现对减速器四个方向姿态的控制。
[0027]本发明的充气展开气动阻尼减速器结构采用一级不同直径堆叠充气展开圆环2，单个堆叠环截面如图2所示，可以大大增加圆环之间的接触面积，增加相邻圆环之间的摩擦力，且各堆叠圆环之间采用分叉式捆绑方法(图6)进行捆绑，大大提高了减速器充气环的强度和刚度；本发明涉及的充气展开气动阻尼减速器结构展开过程包括一级不同直径堆叠充气展开圆环2的展开和二级展开圆环I的展开，一级不同直径堆叠充气展开圆环2刚度较大，适合高超音速运行的减速器，当减速器飞行速度较低时，二级展开圆环I展开带动张紧薄膜面15展开，使得减速器的有效阻力面积增加了 4倍，增加飞行时的阻力。
[0028]另外，本发明还提出了充气环内压设计公式。本发明设计的充气展开阻尼减速器主要由刚度较低的薄膜制作而成，其刚度主要由充气环内的充气压力提供。为了保证减速器在飞行过程中不引起失稳，需要保证充气环内具有一定的充气压力，因此本发明对充气环的最小压力进行了设计，即在气动阻力为F时，充气环内的气体压力最小设计为:
Γ π^ 4 Iana sin α
[0029]Pmm=F
5π--
[0030]F是气动阻力，D是充气式气动阻尼结构的垂直投影口径，d是单个充气圆环的直径，α是气动阻尼结构阻力面与轴线之间的夹角。
[0031]本发明的结构保证了在下降过程中可数次充气增加阻力面积、降低弹道系数、减小热流温度，最后减速到许可的着陆速度。本发明的结构具有重量轻、体积小、展开速度快、质心可控、低速飞行时阻力大的特点，可以为飞行器的着陆提供一种有效的手段。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为充气展开气动阻尼减速器结构的示意图(上图)，质心调控方式的示意图(下图)；
[0033]图2为一级不同直径堆叠充气展开圆环单个圆环截面形状和尺寸的示意图；
[0034]图3为减速器结构的水平质心控制盘(图1中的13)的示意图，上图为俯视图，下图为主视图；
[0035]图4为刚性头锥及其内部结构示意图；
[0036]图5为刚性头锥与不同堆叠圆环结构之间绑带连接方式的示意图(俯视图)；
[0037]图6为充气展开气动阻尼减速器结构不同直径堆叠圆环之间绑带固定方式的示意图(俯视图)；
[0038]图7为一级不同直径堆叠充气展开圆环的不同直径充气环的充气系统设计图；
[0039]图8为双层的堆叠圆环的阻力面结构的示意图。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图以及实施例对本发明做进一步详细说明。
[0041]在一个【具体实施方式】中，如图1所示，本发明的一种充气展开气动阻尼减速器结构，包括刚性头锥10、一级不同直径堆叠充气展开圆环2、一级展开充气瓶7、二级展开充气瓶14、控制阀6、气体导管11、上下质心控制块3、水平质心控制盘13、绑带12、标准安插箱
8、二级展开圆环I以及张紧薄膜阻力面15 ;所述的刚性头锥10、一级展开充气瓶7、上下质心控制块3、水平质心控制盘13、标准安插箱8从到上依次位于减速器中间位置，刚性头锥10位于最下端，其截面近似成扇形；所述的一级展开充气瓶7位于头锥内部，受到头锥的保护，水平质心控制盘13位于在刚性头锥3和标准安插箱8之间；所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的紧贴刚性头锥10的圆环通过绑带12捆绑在刚性头锥10上，其他圆环则依次通过绑带12和相邻的圆环捆绑；所述的控制阀6设置在一级展开充气瓶7并且通过气体导管11与一级不同直径堆叠充气展开圆环2相连；当减速器完成二级展开后，二级展开圆环I位于最上端，张紧薄膜阻力面15连接一级不同直径堆叠充气展开圆环2最上端圆环的内侧和二级展开圆环I的外侧；所述的二级展开圆环I中安装有二级展开充气瓶14。
[0042]刚性头锥10起到保护一级展开充气瓶7和相应的四个控制阀4和上下质心控制块3的作用；水平控制盘13用于调节减速器水平质心；当减速器完成二级展开后，二级展开圆环I位于最上端，张紧薄膜阻力面15连接一级不同直径堆叠充气展开圆环2最上端圆环的内侧和二级展开圆环I的外侧如图1，可以大大提高减速器低速飞行时的阻力，另外，二级展开圆环中安装的二级展开充气瓶14，可以实现二级充气环的快速展开。
[0043]本发明的结构在减速过程中需要两次充气展开，减速器高速飞行时，仅展开一级不同直径堆叠充气展开圆环2以及其外表面的隔热薄膜结构9 ;当减速器速度飞行速度较低，需要进行二级充气展开时，打开二级展开气瓶14的阀门，实现张紧薄膜阻力面15与二级充气圆环I的展开。因此，本发明可实现不同速度条件下的阻力面减速，其中减速器二级展开后有效阻力面积一级展开有效阻力面积的4倍。
[0044]本发明的结构包括两个展开充气瓶，一级展开充气瓶7和二级展开充气瓶14，其中一级展开充气瓶位于刚性防热头锥内，为球形或圆柱形，仅对不同外径堆叠充气圆环进行充气；二级充气系统位于二级展开圆环内，为球形(可防止对充气环产生损伤，仅对二级展开圆环进行充气，即减速器二次展开时才使用；与仅包括一个充气瓶相比，本发明使用较少的通气管，避免了过多充气管对二次展开张紧薄膜面的影响，实现减速器结构的快速展开。
[0045]本发明的结构包括标准安插箱8作为充气展开气动阻尼减速器结构的一部分，使得充气展开气动阻尼减速器结构能实现低成本回收标准安插箱内有效试验载荷；标准安插箱可以实现需回收有效载荷标准接口模块化以及适配性，减小有效载荷由于受到振动和热载荷产生的损害。充气展开气动阻尼减速器结构实现安装在某飞行器上(比如载人空间站)，当需要使有效试验载荷需下载返回地面时，把含有有效试验载荷的标准安插箱安装上充气展开气动阻尼减速器结构，火工品进行解锁与某飞行器上(比如载人空间站)分离，充气展开气动阻尼减速器结构内的标准安插箱携带需回收的有效试验载荷安全返回地面。
[0046]在另一个实施方式中，如图4所示，所述的一级展开充气瓶7通过五个梁与刚性头锥连接，其中一个梁固定一级展开充气瓶7的下端，其他四个梁固定一级展开充气瓶7的四周。
[0047]在另一个实施方式中，如图1和图8所不,所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2由不同直径的单层圆环沿着刚性头锥10的内表面方向挤压堆叠而成或由双层圆环沿着刚性头锥10的内表面方向堆叠而成。
[0048]在另一个实施方式中，如图1和图3所示，所述的水平质心控制盘13中设置有四个粗调水平质心控制块4以及四个微调水平质心控制块5，能够实现减速器的质心控制，包括质心的上下调整3、水平质心调整圆盘13，水平调整控制盘上有四组质心调整块，每组质心调整块包括两个质量块，一起移动可以实现粗调4，仅仅内部质量块运动实现微调5，在减速器飞行过程中，可以方便并精确的调整减速器姿态；这种减速器飞行器质心调节方式，能够实现姿态的快速调整
[0049]在另一个实施方式中，如图6所不,所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2相邻的圆环之间通过扎带12采用分叉式捆绑方法进行交错捆绑，捆绑方式是沿径向每22.5度一个径向扎带12 ;可提高减速器整体强度和刚度。
[0050]在另一个实施方式中，如图1和图8所不,所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的外表面设计一层隔热薄膜结构9，可满足光滑的气动外表，又可实现防热性能。
[0051]在另一个实施方式中，如图5所示，所述的刚性头锥10和一级不同直径堆叠充气展开圆环2的最内侧圆环通过绑带12连接，所述的刚性头锥10包括八组或十二组铆孔16，每组四个铆钉16 ;最内侧圆环采用八个或十二个扎带连接在刚性头锥10上。
[0052]在另一个实施方式中，如图4所示，所述的控制阀6为四个，通过四个气体导管11与一级不同直径堆叠充气展开圆环2连接，所述的充气展开气动阻尼减速器结构完全展开后相邻气体导管11互相呈90度夹角。
[0053]在另一个实施方式中，如图1和图8所不,所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的最外圈设置有一个细圆环17，其设计的作用时抑制阻尼结构飞行时产生的气体绕流作用，改善因绕流引起结构飞行的不稳定性。
[0054]在另一个实施方式中，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2的不同直径的充气环之间是相互独立的空间，采用由外向内的双侧同步展开的充气策略(图7)。这种充气策略解决了初始收拢折叠在充气阻力面结构有序可靠快速的展开问题，不同直径的充气环之间是相互独立的空间其作用是一方面避免某一环漏气后，牵连到整个结构充气成型；另一方面可高效率地充气，一个环充气成型即可独立起到气承刚度，形成阻力面实现阻尼减速。除了 CVl和抑制绕流的CVO之间是联通的。首先高压气瓶向CVl及副环CVO进行充气，达到设计压力时，关闭电控阀I ;开始向CV2内充气，达到设计压力时，关闭电控阀2。同理，开始向CVn内充气，达到设计压力时，关闭电控阀η。该充气过程中是同一个环两侧对称充气同步展开，保持结构的稳定和展开的有序性。
[0055]在另一个实施方式中，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2由许多子单元组成，每个子单元由两个圆弧和一对平行线组成，所述的平行线垂直于减速器阻力面的母线；所述的两个圆弧为同一个圆上的一部分，曲率半径均为d/2,且150mm ^ d ^ 300mm,两平行线之间距离为(d/2)2。只有当平行线距离为(d/2)2时，薄膜管在相同压力下承受的最大应力最小。如图2所示，其中Z AOB是减速器的刚性头锥锥角的大小，平行线不是水平的，它是与减速器阻力面的母线是垂直的。
[0056]在另一个实施方式中，所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环2内的充气压力的最小值为:
r π,Αν?ηα?ηα
[0057]Pmn = I'
3π?α
[0058]其中F是气动阻力，D是充气式气动阻尼结构的垂直投影口径，d是单个充气圆环的直径，α是气动阻尼结构阻力面与轴线之间的夹角。
[0059]本发明提供的一种充气展开气动阻尼减速器结构是通过头锥处充气瓶产生的气体使折叠的减速器结构展开，其工作过程如下:当需要减速器结构工作时，通过外界给充气瓶产生一个电讯号，打开头准处的充气开关，气体充入一级堆叠充气展开圆环，打开一级充气圆环，此时径向捆绑扎带勒紧，可以保证减速器的刚度和强度。随后，待减速器速度降低至需要打开二级充气环时，外界通过电信号打开二级充气圆环内的充气瓶，实现第二级充气展开减速(展开后减速面积为一级展开的2倍)，从而进一步降低减速器的飞行速度。
【权利要求】
1.一种充气展开气动阻尼减速器结构，包括刚性头锥(10)、一级不同直径堆叠充气展开圆环⑵、一级展开充气瓶(7)、二级展开充气瓶(14)、控制阀(6)、气体导管(11)、上下质心控制块(3)、水平质心控制盘(13)、绑带(12)、标准安插箱(8)、二级展开圆环(I)以及张紧薄膜阻力面(15);其特征在于:所述的刚性头锥(10)、一级展开充气瓶(7)、上下质心控制块(3)、水平质心控制盘(13)、标准安插箱(8)从到上依次位于减速器中间位置，刚性头锥(10)位于最下端，其截面近似成扇形；所述的一级展开充气瓶(7)位于头锥内部，受到头锥的保护，水平质心控制盘(13)位于在刚性头锥(3)和标准安插箱(8)之间；所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)的紧贴刚性头锥(10)的圆环通过绑带(12)捆绑在刚性头锥(10)上，其他圆环则依次通过绑带(12)和相邻的圆环捆绑；所述的控制阀(6)设置在一级展开充气瓶(7)并且通过气体导管(11)与一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)相连；当减速器完成二级展开后，二级展开圆环(I)位于最上端，张紧薄膜阻力面(15)连接一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)最上端圆环的内侧和二级展开圆环(I)的外侧；所述的二级展开圆环(I)中安装有二级展开充气瓶(14)。
2.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)由不同直径的单层圆环沿着刚性头锥(10)的内表面方向挤压堆叠而成或由双层圆环沿着刚性头锥(10)的内表面方向堆叠而成。
3.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的水平质心控制盘(13)中设置有四个粗调水平质心控制块(4)以及四个微调水平质心控制块(5)。
4.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)相邻的圆环之间通过扎带(12)采用分叉式捆绑方法进行交错捆绑，捆绑方式是沿径向每22.5度一个径向扎带(12)。
5.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的刚性头锥(10)和一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)的最内侧圆环通过绑带(12)连接，所述的刚性头锥(10)包括八组或十二组组铆孔(16)，每组四个铆钉(16);最内侧圆环采用八个或十二个扎带连接在刚性头锥(10)上。
6.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的控制阀￠)为四个，通过四个气体导管(11)与一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)连接，所述的充气展开气动阻尼减速器结构完全展开后相邻气体导管(11)互相呈90度夹角。
7.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)的最外圈设置有一个细圆环(17)。
8.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)的不同直径的充气环之间是相互独立的空间，采用由外向内的双侧同步展开的充气策略。
9.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)由许多子单元组成，每个子单元由两个圆弧和一对平行线组成，所述的平行线垂直于减速器阻力面的母线；所述的两个圆弧为同一个圆上的一部分，曲率半径均为d/2,且150mm ^ d ^ 300mm,两平行线之间距离为(d/2)2。
10.根据权利要求1所述的一种充气展开气动阻尼减速器结构，其特征在于:所述的一级不同直径堆叠充气展开圆环(2)内的充气压力的最小值为:
,^tanasirm P = I1-- …ZnDd 其中F是气动阻力，D是充气式气动阻尼结构的垂直投影口径，d是单个充气圆环的直径，α是气动阻尼结构阻力面与轴线之间的夹角。
【文档编号】B64G1/24GK104290921SQ201410460809
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】卫剑征, 谭惠丰, 马瑞强, 张雯婷, 谢志民, 林国昌, 宋博 申请人:哈尔滨工业大学